Циклы двигателей внутреннего сгорания

ДВС – это тепловая машина, в которой весь цикл осуществляется внутри цилиндра.

Впервые идея ДВС была предложена Сади Карно в 1824 году, но построен первый ДВС был только в 1860 году, французским механиком Ленуаром. Этот двигатель работал на светильном газе без сжатия рабочего тела, в результате КПД был низок и двигатель распространения не получил. В 1877 году немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель, работавший по принципу, запатентованному в 1862 году французам Бо-де-Роша, фактические принципы которого совпадали с идеей, предложенной Карно. Двигатель высокого сжатия был построен немецким инженером Дизелем в 1897 году. Двигатель работал на керосине, для сжатия воздуха использовался компрессор высокого давления. Бескомпрессорный двигатель, в котором сгорание топлива происходило последовательно сначала при постоянном объеме, а затем – при постоянном давлении, был построен в 1904 году русским инженером Тринклером.

Таким образом, в зависимости от особенностей процесса сгорания топлива различают три типа двигателей.

Карбюраторный двигатель, работающий на смеси паров воздуха и бензина, воспламенение осуществляется свечой. Это ДВС с быстрым горением, практически при постоянном объеме;

Компрессорные дизели, в которых в качестве топлива используют солярку, мазут; воспламенение осуществляется за счет высокой температуры сжатого воздуха, горение – медленное, практически при постоянном давлении;

Бескомпрессорные дизели со смешанным горением: вначале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.

Основные характеристики или параметры цикла – это:

1) – степень сжатия;

2) – степень повышения давления при изохорном подводе тепла;

3) – степень предварительного расширения при изобарном подводе тепла.

Эти характеристики задаются на начальном этапе проектирования на основе опыта конструирования двигателей.

 

 

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь цикл. Такую диаграмму, снятую с помощью специального прибора индикатора, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикаторной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл. Не следует смешивать индикаторную диаграмму с рабочей (p-v- диаграммой): p-v - диаграмма строится для постоянного количества вещества, а индикаторная диаграмма изображает процесс в цилиндре, количество газа в котором переменно.

Рис

0-1 – всасывание рабочего тела

1-2 – сжатие рабочего тела

2-3 – сгорание рабочего тела, практически при постоянном объеме.

3-4 – рабочий ход

4-0 – выброс продуктов сгорания

Из описания работы процесса реального ДВС видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все признаки необратимых процессов. Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен, а поэтому ТД исследует не реальные процессы ДВС, а идеальные.

Идеальные циклы ДВС.

Идеализация циклов осуществляется при принятых допущениях. На рис 42 представлены циклы: Отто с подводом тепла при  (быстрое горение); Дизеля с подводом тепла при  (медленное горение, воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора); Тринклера с подводом тепла при  (смешанное горение, Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: в начале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении).

Рис 42

В этих циклах:

1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3 – подвод тепла к рабочему телу (для Отто по изохоре; Дизеля – по изобаре; Тринклера – часть по изохоре, а часть по изобаре)

3-4 – адиабатное расширение;

4-1 – отвод тепла по изохоре.

Исходными данными для анализа являются:

1) параметры рабочего тела , , ;

2) начальные параметры , ;

3) , , – из опыта конструирования

4) масса рабочего тела.

 

Анализ цикла Тринклера

Из рассмотрения циклов видно, что цикл Тринклера является обобщающим по отношению к циклам Отто и Дизеля.

Порядок анализа следующий:

1. Последовательно определяют значения p, v и T в характерных точках по уравнениям [] для соответствующих процессов в двигателе. Например, для цикла Тринклера температура в точке 3:

2. На основании уравнений [] определяют количество подведенной и отведенной теплоты в каждом процессе, а также общее количество подведенной и отведенной теплоты. Например, для цикла Тринклера количество подведенной теплоты:

3. На основании уравнения [] определяют величину КПД цикла. Например, для цикла Тринклера:

4. Определяют работу цикла:

5. Определяют мощность ДВС:

 [Вт];

Где М– масса рабочего тела участвующая в процессе;

Z – число цилиндров;

n – число оборотов в минуту;

– механический КПД;

– индикаторный КПД;

6. Определяют основные размеры. Для этого при проектировании задаются параметром  (где Н – величина хода поршня, а d – его диаметр)

;

;

 

Для бескомпрессорных дизелей степень сжатия воздуха , , . При увеличении , ,  – КПД увеличивается, при увеличении  – КПД уменьшается.

Для цикла Отто () КПД зависит только от

при увеличении , – КПД увеличивается.

В значительной мере КПД Отто зависит от степени сжатия . Но увеличение степени сжатия ограничено возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси, нарушающей работу двигателя. Кроме того, при высоких степенях сжатия скорость сгорания смеси резко возрастает, что может вызвать детонацию (взрывное горение), которая резко снижает экономичность и может привести к поломке его деталей. Поэтому для каждого топлива должна применяться определенная оптимальная степень сжатия ().

Для цикла Дизеля ():

при увеличении (),  и уменьшении  – КПД увеличивается.

К недостатком следует отнести наличие компрессора, применяемого для подачи топлива, на работу которого расходуется от общей мощности двигателя 6—10%, что усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Кроме того, необходимо иметь сложные устройства насос, форсунки и т. д. Установка имеет большой вес.

Применяются тяжелые виды топлив, а в качестве начального рабочего тела – воздух.

Недостатки ДВС.

1 Наличие возвратно-поступательного движения Þ «разболтка».

2 Невозможность расширять продукты сгорания до , т.к. это приводит к увеличению хода поршня, увеличению времени хода поршня и Þ снижению мощности.

Этих недостатков лишены газовые турбинные установки (ГТУ) – это тепловые машины, в которых рабочим телом служат продукты сгорания топлива.

Цикл Стирлинга

рис 45

Двухпоршневой двигатель Стирлинга

 

Рис 46

Рабочая и тепловая диаграммы двигателя Стирлинга

1-2 – изотермическое сжатие рабочего тела;

Фаза сжатия при постоянной температуре рабочего тела: поршень-вытеснитель 1 находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем 2, движущимся слева направо, и поступает в холодную полость 3 под поршнем-вытеснителем. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через стенки цилиндра 4 и холодильник 5 в окружающую среду при температуре-

2-3 – изохорный процесс подвода тепла;

Фаза нагревания при постоянном объеме: Рабочий поршень 2 находится вблизи ВМТ и перемещает холодный сжатый газ из полости 3 в горячую полость 6 над поршнем-вытеснителем. При прохождении газа через регенератор 7, заполненный пористой массой, нагретой в предыдущем цикле, его температура повышается от   до . Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газ в них повышается и достигает максимального значения.

3-4 – изотермическое расширение;

Фаза расширения при постоянной температуре газа: поршень-вытеснитель находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Рабочий поршень 2 под действием давления газа движется справа налево, происходит расширение горячего газа в полости 6.

Полезная работа, совершаемая рабочим поршнем 2, через кривошипно-шатунный механизм 8 передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя падает, а температура газа в горячей полости 6 остается постоянной, так как к нему подводится тепло от горячего источника (от горелки 9) через теплообменник-нагреватель 10 и стенки цилиндра 11 при температуре - .

Рабочий поршень 2 в этой части цикла одновременно сжимает газ, находящийся в герметичной буферной емкости-картере 12. Запасенная таким образом энергия идет на сжатие газа в процессе фазы 1) следующего цикла.

4-1 – отвод тепла по изохоре.

Фаза охлаждения при неизменном объеме:

Рабочий поршень 2 находится вблизи НМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется к ВМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей полости 6, в холодную полсть 3. При прохождении через регенератор 7 горячий газ отдает свое тепло пористой массе и охлаждается. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения.